세계 최대 암흑물질 검출기, 이상한 입자 하나를 포착

7톤의 액체 제논을 사용하는 LUX-ZEPLIN(LZ) 이 배경 현상으로 설명할 수 없는 단일 사건을 감지했지만, 암흑물질 발견으로 판단하기에는 통계적 근거가 크게 부족함 기존 5~55keV였던 검색 범위를 270keV까지 넓힌 결과, 원자핵이 248keV의 높은 에너지로 반동한 사건을 찾아냄 일반적인 WIMP가 원인이라면 수천 건의 저에너지 사건도 함께 관측돼야 하지만 하나도 없었기 때문에, 실제 암흑물질이라면 기존 예상과 다른 입자여야 함 후보로는 충돌 에너지가 충분히 높을 때만 반응하는 내부 구조를 가진 암흑물질, 운동량에 따라 보통 물질과의 결합 강도가 달라지는 입자가 있음 통계적 우연일 확률은 약 200분의 1로 발견 기준인 350만분의 1과 거리가 멀며, LZ의 추가 데이터와 XENONnT·PandaX의 독립 검증이 필요함 암흑물질과 WIMP 가설 은하의 회전과 집합 양상은 은하가 훨씬 큰 암흑물질 덩어리 안에 있음을 시사함 암흑물질은 전자기 복사를 흡수하거나 방출하지 않아 직접 볼 수 없지만, 우주 마이크로파 배경복사 연구에 따르면 우주 전체 물질의 약 85% 를 차지함 현재 알려진 입자 중에는 암흑물질을 설명할 만큼 무거우면서 다른 물질과 거의 반응하지 않는 입자가 없음 1980년대부터 주요 후보가 된 약하게 상호작용하는 무거운 입자(WIMP) 는 다음 특성을 가질 것으로 예상됐음 양성자보다 약 100배 무거움 안정적이며 중력과 매우 약한 약한 핵력을 통해서만 상호작용함 광자처럼 자기 자신의 반입자라면 빅뱅 이후 암흑물질을 구성하기에 알맞은 양이 남음 초대칭성 이론에서도 자연스럽게 나타나 암흑물질 탐색의 주된 표적이 됨 LZ의 기존 탐색 주변을 떠도는 WIMP가 원자핵과 충돌하면 원자핵이 튕겨 나가므로, 검출기는 이 핵반동을 찾도록 설계됨 초기에는 1kg 미만의 검출기로도 관측할 수 있다고 예상했지만, 점점 커진 여러 검출기에서도 WIMP는 발견되지 않았음 LZ는 7톤의 차가운 액체 제논을 사용해 통과하는 WIMP가 충돌할 방대한 수의 표적을 제공함 미국 사우스다코타의 옛 금광에 있는 Sanford Underground Research Facility 지하 1,480m에 설치됐으며, 2021년부터 데이터를 수집함 WIMP는 광속의 1,000분의 1인 초속 약 300km로 천천히 움직일 것으로 예상됨 이에 따라 제논 원자핵의 반동 에너지도 낮아야 하며, LZ는 지난해 약 5~55keV 범위를 검색했...